劉 偉，崔 嘉，張 毅

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺 264001）

0 引言

直升機(jī)是常見的海上人員運(yùn)輸平臺。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009—2013年間，僅墨西哥灣就有2307193名乘員通過直升機(jī)進(jìn)行海上運(yùn)輸[1]。與此同時(shí)，因飛行員失誤、惡劣天氣、機(jī)械故障[2]等原因造成的直升機(jī)海上事故也時(shí)有發(fā)生。2000—2012年間全球共發(fā)生98起直升機(jī)海上墜機(jī)事件，造成159人遇難，人員存活率僅為67．28%[3]。當(dāng)直升機(jī)在水上發(fā)生墜機(jī)事故時(shí)，直升機(jī)的質(zhì)心位置在下沉過程中不斷變化，極易發(fā)生翻轉(zhuǎn)[4]，使人迷失方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2014年間發(fā)生的106起直升機(jī)海上墜機(jī)事故中，101起事故（占95%）的直升機(jī)在墜海不久后發(fā)生翻轉(zhuǎn)沉沒[5]。另外機(jī)上人員還會面臨其他難以預(yù)料的險(xiǎn)情，如直升機(jī)墜水時(shí)的瞬間沖擊力、落水人員在水中視力受損、無法及時(shí)打開應(yīng)急出口、水中憋氣能力差以及入水后的恐懼心理[6]等，這些因素都可能導(dǎo)致機(jī)上人員無法及時(shí)逃出直升機(jī)機(jī)艙，從而直接溺亡[7]。

為解決直升機(jī)落水人員的逃生問題，提高其生存概率，許多行業(yè)機(jī)構(gòu)和軍事組織要求海上飛行人員上崗前需接受直升機(jī)水下逃生訓(xùn)練（helicopter underwater escape training，HUET）。據(jù)美國海軍安全中心調(diào)查，沒有接受過HUET培訓(xùn)的人員在直升機(jī)墜水事故中的死亡率高達(dá)27%，而接受過HUET培訓(xùn)的人員死亡率則為8%左右[8]，由此可見，HUET對提升直升機(jī)人員在應(yīng)急狀態(tài)下的自救能力、增強(qiáng)水下逃生信心、提高落水人員生存率方面具有重要作用[9]。目前，針對HUET的研究主要集中在HUET裝置、HUET流程、乘員在水下的呼吸動作、HUET相關(guān)制度等方面，其中以HUET裝置的研究最為集中。鑒于此，本文就HUET裝置的研究進(jìn)展展開綜述，并結(jié)合目前存在的問題，對未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國外HUET裝置研究進(jìn)展

自1912年發(fā)生第一起飛機(jī)水上迫降事件以來，美國海軍便開始重視飛機(jī)落水后的人員自救問題[10]。1944年，工程師Kaneb為美國海軍設(shè)計(jì)了第一個(gè)飛行員HUET裝置Dilbert Dunker[11]（如圖1所示）。Dilbert Dunker可以為單個(gè)飛行員提供座位，當(dāng)裝置入水時(shí)，會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，飛行員需要克服水的瞬時(shí)沖擊力以及機(jī)艙翻轉(zhuǎn)帶來的方向迷失等困難從水下逃生，這是目前已知最早的HUET裝置。但Dilbert Dunker裝置只是針對單個(gè)飛行員訓(xùn)練，不涉及后艙人員，訓(xùn)練效率低，另外它不能像直升機(jī)一樣橫向轉(zhuǎn)動。為了解決上述問題，1974年美國海軍推出了HUET裝置Burtech 9D5[12]（如圖2所示）。Burtech 9D5訓(xùn)練艙不模擬任何特定的直升機(jī)，只是設(shè)置了通用的駕駛艙和后艙，一次最多可同時(shí)訓(xùn)練6名機(jī)組人員。

圖1 第一個(gè)飛行員HUET裝置Dilbert Dunker[11]

圖2 HUET裝置Burtech 9D5[12]

到20世紀(jì)80年代中期，隨著海上石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展，HUET裝置在民用領(lǐng)域變得越來越普遍。1986年Survial Systems有限公司建造了更先進(jìn)的HUET模擬裝置[13]（如圖3所示），它可以模擬直升機(jī)失事墜海的全過程，實(shí)現(xiàn)模擬艙下降、入水、翻轉(zhuǎn)、上浮等功能。除此以外，該裝置還可以根據(jù)不同機(jī)型改變艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用更為廣泛。2008年芬蘭Lambor Subsea公司生產(chǎn)了全姿態(tài)訓(xùn)練模擬裝置MWH-6[14]（如圖4所示）。MWH-6為球形結(jié)構(gòu)，利用2個(gè)不同方向的轉(zhuǎn)軸，可實(shí)現(xiàn)水平和垂直2個(gè)方向上的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。另外，其模擬器上方帶有一個(gè)易斷閥，可以在短時(shí)間內(nèi)使機(jī)艙處于自由落體狀態(tài)，從而更真實(shí)地模擬飛機(jī)撞擊水面的過程，使訓(xùn)練效果更加理想。

圖3 Survial Systems有限公司建造的HUET模擬裝置[13]

圖4 全姿態(tài)訓(xùn)練模擬裝置MWH-6[14]

目前國外已經(jīng)形成滿足各類直升機(jī)使用的HUET裝置以及專業(yè)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。自1984年以來，每年有3000～5000人參加加拿大Survial Systems有限公司組織的HUET培訓(xùn)[15]，相關(guān)HUET裝置也得到廣泛應(yīng)用。2009年，一架載有18人的美洲獅直升機(jī)在紐芬蘭外海發(fā)生事故，隨即墜海，事故共造成17人死亡，僅1人在水中從機(jī)艙逃生成功[16]。事故發(fā)生后，專家開始針對機(jī)艙內(nèi)的安全帶、座椅、打開逃生出口的方式等方面進(jìn)行針對性研究，為了提高訓(xùn)練效果，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了新一代高保真逃生訓(xùn)練裝置[16]。2019年，SEFtec公司為卡塔爾特種部隊(duì)生產(chǎn)了最先進(jìn)的高保真逃生訓(xùn)練裝置XO-139[17]（如圖5所示），它精確復(fù)制了AW-139直升機(jī)的內(nèi)部布局，每條逃生路線與實(shí)際飛機(jī)完全一致，出口、座位甚至天花板的高度都可以進(jìn)行調(diào)整，以滿足機(jī)型的內(nèi)部特點(diǎn)，提高HUET模擬器的逼真度。

圖5 高保真逃生訓(xùn)練裝置XO-139[17]

1.2 國內(nèi)HUET裝置研究進(jìn)展

相較于國外來說，我國對HUET裝置的研究起步相對較晚。20世紀(jì)90年代初，我國開始進(jìn)行直升機(jī)水上迫降問題的研究。張慶明[18]的研究指出，沒有水上飄浮裝置的直升機(jī)在打開艙門的情況下，10 s內(nèi)就會充滿水并下沉，因此飛行人員需要掌握正確的逃生方法以及穿著專用的設(shè)備。海軍醫(yī)學(xué)研究所[19-22]對直升機(jī)乘員水下逃生裝備和逃生方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過多次水下逃生試驗(yàn)，得出相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并制定了《直升機(jī)乘員水下逃生規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了水下逃生裝備、逃生基礎(chǔ)知識、離機(jī)注意事項(xiàng)等內(nèi)容。李全等[22]研究分析了HUET裝置的現(xiàn)實(shí)需求，并針對直升機(jī)墜水過程提出了HUET裝置的初步設(shè)計(jì)方案。

中海油已在天津市和湛江市建立了具備一定訓(xùn)練能力的水下逃生訓(xùn)練基地（如圖6所示）[23]，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了能滿足要求的HUET裝置，形成了完整的訓(xùn)練流程，同時(shí)還將直升機(jī)遇險(xiǎn)水下逃生訓(xùn)練納入了《海洋石油安全管理細(xì)則》，規(guī)定參與海上飛行的人員必須參加HUET培訓(xùn)。2017年，熊偉等[24]仿照S-76C+救助直升機(jī)機(jī)艙自主研制了一種HUET裝置，并對交通運(yùn)輸部救助飛行隊(duì)的機(jī)組人員進(jìn)行HUET培訓(xùn)，取得了良好的效果。2018年，王敬良等[25]從愛爾蘭國家海事學(xué)院引進(jìn)符合國際標(biāo)準(zhǔn)的HUET裝置，并強(qiáng)化實(shí)訓(xùn)設(shè)備建設(shè)，設(shè)計(jì)了游泳池水溫控制系統(tǒng)、模擬器訓(xùn)練移動吊車、造消波系統(tǒng)、雷電模擬系統(tǒng)等。

圖6 中海油水下逃生訓(xùn)練基地[23]

雖然我國已開展多項(xiàng)HUET裝置的研究與實(shí)踐工作，能夠生產(chǎn)出滿足基本訓(xùn)練要求的水下逃生裝置，但是目前符合國際標(biāo)準(zhǔn)的HUET裝置還需從國外引進(jìn)，我國裝置的設(shè)計(jì)理念與國外相比還存在較大差距，產(chǎn)品的功能性、安全性還需進(jìn)一步提高。

2 HUET裝置關(guān)鍵部件

現(xiàn)階段，圍繞HUET裝置的相關(guān)研究主要集中在以下幾點(diǎn)：（1）研究訓(xùn)練模擬艙的結(jié)構(gòu)，使其更易體現(xiàn)現(xiàn)役直升機(jī)的機(jī)型特點(diǎn)；（2）研究訓(xùn)練模擬艙的姿態(tài)控制部件，使其易于控制且能更真實(shí)反映直升機(jī)的墜水過程；（3）研究逃生出口，使落水人員能快速逃離沉沒的機(jī)艙；（4）研究水下逃生燈，避免落水人員因方向感迷失無法逃離機(jī)艙；（5）研究水下呼吸器，延長落水人員的水下生存時(shí)間，避免溺亡的發(fā)生。

2.1 訓(xùn)練模擬艙結(jié)構(gòu)

訓(xùn)練模擬艙是開展水下逃生訓(xùn)練的核心部件，其結(jié)構(gòu)對逃生訓(xùn)練效果具有重要作用。目前訓(xùn)練模擬艙的結(jié)構(gòu)主要有圓柱體結(jié)構(gòu)（如Survial Systems有限公司制造的HUET模擬裝置）、球形結(jié)構(gòu)（如MWH-6）、長方體結(jié)構(gòu)（如XO-139）等3種形式，其中長方體結(jié)構(gòu)訓(xùn)練模擬艙如圖7所示[26]。圓柱體結(jié)構(gòu)是目前最常用的訓(xùn)練模擬艙結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式可以更加真實(shí)體現(xiàn)現(xiàn)役直升機(jī)的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其艙門、窗口布置、出口打開方式與現(xiàn)役機(jī)型最為相似。另外圓柱體結(jié)構(gòu)可以更方便地布置外側(cè)的翻轉(zhuǎn)滑軌，并利用自身重力變化實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動，使模擬訓(xùn)練更為簡單。

圖7 長方體結(jié)構(gòu)訓(xùn)練模擬艙[26]

2.2 訓(xùn)練模擬艙姿態(tài)控制部件

訓(xùn)練模擬艙墜水時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)下沉、翻轉(zhuǎn)、上浮等動作，其中最重要的是翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。目前控制模擬艙翻轉(zhuǎn)的方法有2種，一種是通過改變模擬艙的質(zhì)量分布，使模擬艙的重心與旋轉(zhuǎn)作用點(diǎn)不在同一個(gè)豎直平面上，從而產(chǎn)生一個(gè)力矩使模擬艙轉(zhuǎn)動。以模擬器MWH-6為例，其底部存在4個(gè)壓載水艙，利用控制器可以使水艙充水與放水。當(dāng)模擬艙下沉?xí)r，上方固定吊點(diǎn)處開關(guān)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，左邊壓載水艙為空載狀態(tài)，右邊壓載水艙為滿載狀態(tài)，此時(shí)由于右側(cè)壓載水艙重力的存在，會產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的力矩，當(dāng)模擬器MWH-6到達(dá)水面時(shí)，打開吊點(diǎn)處開關(guān)，此時(shí)模擬艙沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，原理圖如圖8（a）所示。當(dāng)模擬艙到達(dá)一定水深位置，此時(shí)左邊壓載水艙為空載狀態(tài)，在水中受到一個(gè)向上的浮力，繼續(xù)驅(qū)動模擬艙按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，原理圖如圖8（b）所示。當(dāng)模擬艙旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，關(guān)閉上方固定吊點(diǎn)處開關(guān)，模擬艙為倒立靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)受訓(xùn)人員便可從倒立的模擬艙中逃生。當(dāng)模擬艙吊起時(shí)，模擬艙在重力作用下產(chǎn)生逆時(shí)針的力矩，使模擬艙逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，回到初始狀態(tài)后，關(guān)閉固定吊點(diǎn)開關(guān)[如圖8（c）所示]。另一種控制方式為電動控制法，將模擬艙轉(zhuǎn)動軸與外接電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相固定，通過控制電動機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)模擬艙的下降、旋轉(zhuǎn)等功能，完成直升機(jī)墜水過程的模擬。

圖8 訓(xùn)練模擬器MWH-6內(nèi)部艙室翻轉(zhuǎn)運(yùn)動原理圖

目前世界各國已有33種以上不同類型的模擬艙，其中最常用的方式為配重法，即通過改變壓載水艙狀態(tài)或者增加配重塊的方式改變重心位置，這種方式成本相對低廉，控制簡單。

2.3 逃生出口

直升機(jī)失事墜水后，直升機(jī)乘員需要采取合適的逃生方式，快速打開座椅安全帶，從正確的逃生出口逃離沉沒的直升機(jī)機(jī)艙，以獲取生存的可能，因此逃生出口成為影響水下快速逃生速度的主要因素。

直升機(jī)上的逃生出口可以是機(jī)艙門，也可以是窗戶，但是對于不同的機(jī)型，逃生出口的位置、結(jié)構(gòu)往往不同，因此推開出口所需的力也是不同的，需要對不同機(jī)型的逃生出口進(jìn)行測試以確定能推開出口的最小受力位置。除此以外，人所處的位置以及推開出口的方式不同，推開逃生出口的難易程度也不同[27-28]，因此需要在訓(xùn)練過程中設(shè)計(jì)合適的逃生出口，并且要求打開逃生出口的方式必須簡單，不需要費(fèi)力，基于上述原因，大部分的直升機(jī)逃生出口都是“推出”式結(jié)構(gòu)。

2.4 水下逃生燈

當(dāng)直升機(jī)墜水時(shí)，極易翻轉(zhuǎn)下沉，此時(shí)人處于黑暗、屏氣、倒置的封閉環(huán)境中，沒有任何視覺參考點(diǎn)，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的方向感迷失[29-30]，因此乘員在水下逃生過程中，需要掌握水下定向的方式。

目前常用的水下定向方式是在機(jī)艙內(nèi)部設(shè)置一個(gè)指示方向的參考物，即水下逃生燈[31]。當(dāng)直升機(jī)發(fā)生事故后，水下逃生燈可以自動啟動，并閃爍發(fā)光，艙內(nèi)人員沿著水下逃生燈指示方向找到安全出口，即可安全逃生。

2.5 水下呼吸器

一旦直升機(jī)墜水，一系列不利因素會對乘員生理產(chǎn)生很大的影響，如直升機(jī)突然墜入水中導(dǎo)致的應(yīng)激反應(yīng)，冷水灌入下沉的直升機(jī)帶來的高壓、寒冷，螺旋槳入水時(shí)產(chǎn)生的噪聲，直升機(jī)快速墜水導(dǎo)致乘員嗆水等[32]，這些因素都能導(dǎo)致乘員在水中淹溺，而不能成功從機(jī)艙中逃生。

墜水人員在水下的呼吸時(shí)間受水的深度、人員自身的緊張程度、呼吸動作的規(guī)范性以及所處位置海水的溫度等諸多因素影響。墜水人員在不運(yùn)動的狀態(tài)下，在24℃水中，屏氣時(shí)間大概為37 s[33]，并且寒冷的水下環(huán)境、墜水人員心理狀態(tài)等因素使其在水下屏氣時(shí)間減少[34]。而在直升機(jī)水下逃生過程中，墜水人員需要完成解脫、定向、打開出口等動作，沒有充足的水下生存時(shí)間無法完成。因此設(shè)計(jì)可以用來延長水下生存時(shí)間的設(shè)備變得尤為重要。

圖9為用于水下應(yīng)急呼吸的逃生氣瓶[35]，它可以提供42.5 L的壓縮空氣，這些空氣可以使人在水下緩慢呼吸2 min（大約呼吸21次）。當(dāng)直升機(jī)發(fā)生墜水事故后，艙內(nèi)人員可以在水下使用逃生氣瓶，延長墜水人員在水下的存活時(shí)間，同時(shí)使墜水人員保持鎮(zhèn)定，更易找到逃生的出口，大大增加了水下逃生概率[36]。

圖9 逃生氣瓶及其佩戴方式示意圖[35]

3 問題與展望

近年來，直升機(jī)的安全問題越來越受到重視，HUET已成為從事海上飛行人員的必修科目。但直升機(jī)水下逃生受到多種因素影響，如機(jī)艙狀態(tài)、座椅、出口等[37-38]，因此需要研究并設(shè)計(jì)更為有效的HUET裝置，提高受訓(xùn)人員落水后的應(yīng)急處置能力。隨著HUET裝置研究的不斷深入，仍然存在著一些值得關(guān)注的問題。

（1）不同機(jī)型的直升機(jī)，其艙門的位置、尺寸、打開方式，座椅數(shù)量、種類，安全帶系留方式，乘員的逃生路線等都存在差異，這些差異都會對乘員安全逃生產(chǎn)生影響。因此，HUET裝置應(yīng)與實(shí)際直升機(jī)外形尺寸和機(jī)艙內(nèi)部布局相同，即應(yīng)按照1∶1比例制作。同時(shí)針對不同機(jī)型的直升機(jī)，應(yīng)設(shè)計(jì)與之相對應(yīng)的模擬訓(xùn)練裝置，以滿足各類人員的訓(xùn)練需求。

（2）目前常用逃生通過率來判斷逃生效果，根據(jù)相關(guān)研究，HUET通過率高達(dá)99．28%[9]，但這種方式并不能綜合反映墜水人員水下逃生的能力。應(yīng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用到HUET裝置中，利用水下視頻監(jiān)測設(shè)備，多角度監(jiān)測受訓(xùn)人員在整個(gè)訓(xùn)練過程的實(shí)時(shí)動作，通過視頻傳輸和記錄功能，訓(xùn)練考核人員可以通過顯示終端隨時(shí)監(jiān)測訓(xùn)練過程，經(jīng)綜合判斷，針對性提出訓(xùn)練建議，使HUET裝置的功能不斷完善。

（3）在水下逃生訓(xùn)練過程中，HUET裝置的運(yùn)行狀況、水下環(huán)境、墜水人員的心理以及墜水人員的身體狀況都會對受訓(xùn)人員快速解開安全帶、打開逃生出口產(chǎn)生影響。在HUET過程中，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，將會造成人員傷亡，因此HUET裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)更加重視裝備的安全性。通過在機(jī)艙內(nèi)增加應(yīng)急刀、留有備用的逃生出口、采用密度更輕的材料等方式優(yōu)化HUET裝置的設(shè)計(jì)，防止危險(xiǎn)發(fā)生，不斷提高裝置使用的安全性。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)外水上飛行訓(xùn)練任務(wù)逐漸增加，HUET裝置的開發(fā)研究也變得越來越迫切。本文分析了目前HUET裝置的研究進(jìn)展和關(guān)鍵部件，并結(jié)合現(xiàn)狀，指出HUET裝置的研究應(yīng)朝著高逼真度、多功能性、更加安全的方向發(fā)展。本研究可以為HUET裝置的研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，對推動水下逃生訓(xùn)練的開展具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。